Der Chiral Pool

Doch gezielt nur ein einziges Enantiomer herzustellen, ist gar nicht so einfach. Bei der chemischen Synthese chiraler Stoffe entstehen nämlich zumeist beide Enantiomere als Racemat – so heißt ein 1:1-Gemisch der beiden Enantiomere eines chiralen Stoffes. Deshalb müssen die Enantiomere aufwändig getrennt werden. Der klassische Weg führt über die Racematspaltung. Dabei wird das Racemat mit einem chiralen Hilfsreagenz, dem Auxiliar, chemisch umgesetzt.

Aber wie kommt man überhaupt an dieses Auxiliar, das ja auch ein reines Enantiomer sein muss? Chemiker schöpfen dazu aus dem chiral pool. Der Name chiral pool steht für das große Reservoir an enantiomerenreinen Stoffen, die in der Natur vorkommen. Als Auxiliare dienen vor allem chirale Zucker und Terpene – sie können in großem Maßstab und sehr günstig direkt aus Mikroorganismen, Pflanzen oder Pilzen gewonnen werden.

Bei der Reaktion des Racemats mit dem Auxiliar entstehen dann Diastereomere. Diastereomere besitzen, wie auch die Enantiomere, Stereozentren – und zwar gleich mehrere davon. Doch im Gegensatz zu Enantiomeren verhalten sie sich nicht mehr wie Bild und Spiegelbild. Deshalb besitzen sie auch unterschiedliche chemisch-physikalische Eigenschaften und können so voneinander getrennt werden, zum Beispiel durch fraktionierende Kristallisation. Eine moderne Methode der Trennung ist die Säulenchromatographie. Das gelöste Racemat wird durch eine Säule geleitet, die mit chiralen Füllstoffen befüllt ist – häufig Polysacchariden, die aus dem chiral pool stammen. Chemiker bezeichnen das Füllmaterial als stationäre Phase. Die beiden Enantiomere reagieren unterschiedlich mit der stationären Phase – sehr oft bleibt ein Enantiomer gut daran haften, das andere fast überhaupt nicht. Dadurch lassen sich die Enantiomere sehr elegant und sehr rein voneinander trennen. Ein großer Nachteil jeder Racematspaltung ist allerdings, dass von 100% synthetisierter Ausgangssubstanz nach der Spaltung nur noch 50% des erwünschten Enantiomers vorhanden ist, die andere Hälfte ist das „falsche“ Enantiomer, das unter Umständen kostspielig entsorgt werden muss.

Besser wäre es also, in einer chemischen Reaktion gezielt nur ein einziges Enantiomer zu synthetisieren. Diese sogenannte Asymmetrische Synthese gehört allerdings zu den schwierigsten Feldern der Chemie. Dennoch gelang es Wissenschaftlern mehrmals solche Synthesen zu entwickeln. Der Nobelpreis für Chemie des Jahres 2001 beispielsweise ging ausschließlich an Chemiker, die Verdienste um asymmetrische Synthesen hatten: Karl Barry Sharpless, William Knowles und Ryoji Noyori. Auch für diese Arten der Synthese müssen sich die Chemiker aber im chiral pool bedienen: Bei der Bausteinsynthese wird ein chiraler Stoff direkt als Baustein in der Reaktion verwendet. Bei der Synthese mit chiralen Auxiliaren setzen die Chemiker ein Auxiliar ein, das sich zuerst an den eigentlichen Synthesebaustein bindet. Dadurch wird die Stereoinformation in das Molekül eingeführt und die anschließende Reaktion kann enatioselektiv verlaufen. Besonders elegant ist die chirale Katalyse: Chemiker bauen hier aus chiralen Liganden des chiral pools und anderen Molekülen effiziente Katalysatoren, die dafür sorgen, dass bei bestimmte Reaktionen nur ein Enantiomer gebildet wird.

Noch besser beherrscht aber die Natur die chirale Katalyse – dort sind enatioselektive Vorgänge alltäglich, chirale Enzyme sind ja nichts anderes als chirale Biokatalysatoren. Deshalb wird zunehmend auch im Labor und der pharmazeutischen Industrie mithilfe enantioselektiver Enzyme gearbeitet, die direkt aus der Natur oder von gentechnisch veränderten Organismen gewonnen werden.

Christian Remenyi (2007)

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